[发明专利]基于TiCN‑(Ti,M)CN混芯结构的金属陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属陶瓷领域，具体涉及一种碳氮化钛金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷具有良好的红硬性、抗月牙洼磨损能力且制造成本低廉，并且大量减少了战略资源W的使用，是WC-Co系硬质合金最好的替代品之一，因而成为世界上主要工业国家都十分重视的陶瓷材料。虽然通过工艺优化、改性处理、第二相强化等手段，Ti(C,N)基金属陶瓷的强度、硬度、韧性都有了一定的提高，但商用Ti(C,N)基金属陶瓷的韧性也只有6～9MPa·m^1/2，远不如传统WC-Co硬质合金的韧性(9～16MPa·m^1/2)。因此如何提高Ti(C,N)基金属陶瓷的韧性已经成为世界各国材料工作者广泛关注和研究的问题。

中南大学张立教授等人通过复合添加WC、Mo₂C、Cr₃C₂、TaC进行烧结，得到韧性能够达到12.616MPa·m^1/2的Ti(C,N)金属陶瓷，但其硬度却下降到1400MPa左右。申请号为200510090485.9的专利申请公开了“固体溶液粉末、陶瓷、金属陶瓷粉末、金属陶瓷及制备法”，利用合成的(Ti,W,Mo…)(C,N)固溶体粉末压制烧结，得到断裂韧性为12～13MPa·m^1/2的无芯环的TiCN基金属陶瓷，但其硬度仅为11～12Gpa，远低于商用Ti(C,N)基金属陶瓷14～17GPa的硬度水平。四川大学余海军等人(Effect of secondary carbides addition on the microstructure and mechanical properties of(Ti,W,Mo,V)(C,N)-based cermets.Int.Journal of Refractory metals and Hard Materials,2011(29):586-590)以(Ti,W,Mo…)(C,N)固溶体粉为基，通过添加碳化物，形成灰芯灰环和亮芯灰环结构来提高材料的性能，虽能使材料的硬度达到1650MPa左右，但韧性下降明显，只能达到10MPa·m^1/2。

综上所述，现有技术在Ti(C,N)基金属陶瓷性能的提升上不能兼顾韧性和硬度，两种性能不能同时提升，因此限制了此类金属陶瓷的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于TiCN-(Ti,M)CN混芯结构的金属陶瓷材料及其制备方法，以同时提高其韧性和硬度。

本发明所述基于TiCN-(Ti,M)CN混芯结构的金属陶瓷材料，该金属陶瓷材料由黑芯亮内环灰外环结构、灰芯亮内环灰外环结构、亮芯结构及Co或/和Ni粘接相组成，所述黑芯亮内环灰外环结构中，黑芯由TiCN形成，亮内环、灰外环由(Ti,M)CN固溶体形成，所述灰芯亮内环灰外环结构中，灰芯、亮内环、灰外环均由(Ti,M)CN固溶体形成，所述亮芯结构由溶解M的Co固溶体或/和溶解M的Ni固溶体形成，形成亮芯的固溶体的M含量＞形成亮内环的固溶体的M含量＞形成灰外环的固溶体的M含量＞形成灰芯的固溶体的M含量，所述M为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中至少一种。

本发明所述基于TiCN-(Ti,M)CN混芯结构的金属陶瓷材料的制备方法，原料的组分及各组分的质量百分数为：

Co粉或/和Ni粉             10～20％，

第二类碳化物粉            0.5～20％，

TiCN-(Ti,M)CN混合粉       60～89.5％，

所述M为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种，所述第二类碳化物粉为WC粉、Mo₂C粉、Cr₃C₂粉、TaC粉、NbC粉、V_xC粉中的至少一种，V_xC中，0＜x≤1；

工艺步骤如下：

(1)混料与造粒

按上述原料的质量百分数计量各原料，然后将计量好的原料依次进行湿法球磨、真空干燥、添加成型剂并混合均匀、造粒，形成颗粒状混合料；

(2)成型

将步骤(1)制备的粒料装入模具的型腔，压制成坯样；

(3)低压烧结